纳米颗粒增强型铜基电刷镀复合镀层组织性能研究

摘要

近年来随着纳米复合镀层的研究、发展与应用，利用电刷镀工艺制备纳米复合镀层用于零件修复与表面强化越来越受到关注。为了解决纯铜零件修复与表面强化问题，本文以纯铜为基材，应用电刷镀工艺分别制备了快速铜镀层、快速铜/纳米Al2O3复合镀层、快速铜/纳米CeO2复合镀层和快速铜/纳米ZrO2复合镀层，并对其组织性能进行了研究。
　　以酸性快速铜镀液为基质镀液，分别加入一定量的Al2O3、CeO2或ZrO2纳米颗粒，通过沉降实验确定了纳米颗粒分散效果较好的表面活性剂的类型和加入量。借助扫描电镜、金相显微镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、电化学工作站和箱式电阻炉等仪器设备对Cu/纳米颗粒复合镀层的表面形貌、截面组织、显微硬度、沉积速度、耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能进行了测定与分析。
　　结果表明：纳米颗粒的加入可以显著地改变普通快速铜镀层的表面形貌，快速铜表面凹凸不平的形貌被规则的胞状凸起取代。镀液中纳米颗粒含量不同，沉积得到的复合镀层表面形貌不同。当镀液中纳米 Al2O3颗粒含量为25g/L、纳米CeO2为20g/L、纳米ZrO2为30g/L时，复合镀层表面致密性和平整性较佳，且镀层硬度值最大，摩擦系数最小，沉积速率最快。纳米颗粒的细晶强化和弥散强化作用，使复合镀层摩擦系数小于快速铜镀层，并且有效地减弱了摩擦磨损过程中的粘着磨损和犁沟深度。复合镀层的硬度和耐磨性均高于普通快速铜镀层，且纳米Al2O3复合镀层优于纳米ZrO2和纳米CeO2复合镀层。
　　在10％的醋酸溶液中测试镀层耐蚀性结果表明，纳米ZrO2复合镀层（30g/L）耐蚀性明显优于快速铜镀层、纳米 Al2O3复合镀层（25g/L）和纳米 CeO2复合镀层（20g/L），纳米 ZrO2的加入可以显著提高镀层耐蚀性，而纳米 Al2O3和纳米CeO2颗粒对镀层耐蚀性作用不大。在3.5％NaCl水溶液中测试镀层Tafel极化曲线，结果表明，纳米ZrO2颗粒的加入使镀层腐蚀电位显著正移，而纳米Al2O3和纳米CeO2颗粒对镀层电位影响甚微。
　　恒温400℃氧化增重实验结果表明，纳米颗粒的加入可以有效提高镀层耐高温氧化性。抗高温氧化性能优劣的顺序为 Cu/nano-ZrO2>Cu/nano-Al2O3>Cu/nano-CeO2>快速铜。纳米颗粒的存在可以有效地阻碍铜离子和氧原子的自由扩散，有利于镀层表面致密氧化膜的形成，提高了镀层的抗高温氧化性能。
　　划痕试验结果表明，镀层与基体结合强度牢固，其中纳米ZrO2复合镀层的结合强度相对较差，纳米Al2O3复合镀层的结合性能最佳。

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1 绪论

1.1 电刷镀技术

1.2 纳米复合镀层

1.3 课题研究背景及研究内容

2 实验材料及实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 镀液的选择与配制

2.4 镀层试样制备

2.5 组织与性能分析测试

2.6 本章小结

3 Cu/Al2O3纳米复合镀层的组织性能研究

3.1 快速铜镀层组织

3.2 镀液中Al2O3纳米颗粒含量对Cu/nano-Al2O3复合镀层表面形貌的影响

3.3 镀层截面形貌观察

3.4 镀液中纳米颗粒含量对镀层硬度和沉积速度影响

3.5 耐磨性

3.6 耐腐蚀性

3.7 抗高温氧化性能

3.8 结合强度

3.9 本章小结

4 Cu/CeO2纳米复合镀层的组织性能研究

4.1 镀液中CeO2纳米颗粒含量对Cu/nano-CeO2复合镀层表面形貌的影响

4.2 截面形貌观察

4.3 纳米颗粒含量对硬度和沉积速度的影响

4.4 纳米颗粒含量对镀层耐磨性影响

4.5 耐腐蚀性

4.6 抗高温氧化性能

4.7 结合强度

4.8 本章小结

5 Cu/ZrO2纳米复合镀层的组织性能研究

5.1 镀液中纳米颗粒含量对Cu/nano-ZrO2复合镀层表面形貌的影响

5.2 截面形貌观察

5.3 镀液中纳米颗粒含量对复合镀层硬度和沉积速度的影响

5.4 镀液中纳米ZrO2颗粒含量对复合镀层耐磨性影响

5.5 耐腐蚀性

5.6 抗高温氧化性能

5.7 结合强度

5.8 本章小结

6 结论

参考文献

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